Este capítulo apresenta as conclusões reunidas no desenvolver do projeto, assim como, eventuais sugestões para trabalhos futuros.
5.1. Conclusões
Neste projeto desenvolveu-se uma rede de monitorização urbana de baixo custo, cuja finalidade, consistia em avaliar a qualidade do ar na cidade do Funchal. Esta permitiu a utilização das tecnologias rádio Zigbee e LoRa, na transmissão e recolha de dados. O utilizador pode realizar consulta online dos dados dos poluentes por local e data.
Começou-se por estudar brevemente, as caraterísticas de funcionamento de diferentes tipos de sensores de gás. Foram abordadas regulamentações de relevância para o tema da qualidade do ar, assim como, métodos de medição. Realizou-se um breve estudo das estações de monitorização e do conceito das redes oportunistas. Em seguida, investigou-se com maior detalhe diferentes tecnologias de comunicações sem fios no âmbito das redes de sensores, as quais foram o Zigbee, o Wi-Fi, o Bluetooth e a LoRa. Por fim, foram apresentados alguns projetos de monitorização, cujo estudo focou-se nas tecnologias de sensores e de transmissão de dados e nos métodos de recolha e visualização dos mesmos.
Os protótipos desenvolvidos foram um nó de calibração, um nó local, um
gateway de aquisição de dados e um sistema de monitorização remota. O nó de
calibração fez uso de um sensor de gás pré-calibrado, o Alphasense B4. Este sensor é de elevada precisão e baixa afetação a outros gases. Este foi crucial no auxílio da calibração realizada para o sensor Figaro TGS 5042, o qual seria utilizado para os restantes nós. O protótipo foi testado no percurso pedestre no túnel que faz a ligação entre a Rotunda dos Ilhéus e a Avenida Gulbelkian.
Para o nó local, fez-se uso do sensor Figaro TGS 5042, o qual comparativamente ao Alphasense B4 é um sensor de menor custo e resolução. Tiveram-se alguns cuidados de modo a colmatar as limitações deste sensor. Um deles envolveu utilizar tecnologia SMD no desenvolvimento do circuito de condicionamento para minimizar problemas associados ao ruído térmico. Ainda foi realizada a calibração do sensor para a leitura das concentrações mais baixas de CO, servindo-se dos recursos dos ADC do Arduíno, no qual, limitou-se a tensão de referência interna nos 1.1 V. Por fim, avaliou-se o desempenho do sensor face a fontes de perturbação, como a temperatura e a radiação solar. Deste modo, constatou-se que a radiação solar causava as perturbações mais significativas na monitorização. Para minimizar estas perturbações foi construída uma estrutura anti-rradiação, na qual, o sensor foi encapsulado.
Devido ao nó local ser uma estação fixa, havia exigências de baixo consumo. Assim, implementou-se controlo embebido que atendia aos requisitos de monitorização ambiental periódica. Utilizou-se um painel solar para captação de energia. Os dados de interesse foram as tensões da bateria e do sinal elétrico para o sensor de CO, assim como, as concentrações de CO. A tecnologia rádio foi a Zigbee. O nó local foi instalado nas proximidades do laboratório de Telecomunicações junto à estrada.
A monitorização ambiental realizada envolveu o estudo da variabilidade diária de CO, análise da perturbação causada pela radiação solar, monitorização da tensão da bateria do nó e o estudo das horas de maior afluência do tráfego urbano. Neste último estudo, avaliaram-se alguns dados instantâneos de concentrações mais elevadas de CO (mg/m³) e se avaliou o IQAr médio com base nas regulamentações da Agência Portuguesa do Ambiente.
O gateway de aquisição é uma solução de recolha de dados para os nós móveis. Os dados são extraídos de um cartão microSD, é realizado o seu tratamento que, eventualmente, pode conter coordenadas GPS. As restantes informações são dados temporais, dados referentes ao sensor de CO e ao nível da bateria. Para descarregar os dados na base de dados e apresentar os mesmos na Web, o módulo é conectado a um computador. A informação das concentrações poluentes, dos dados temporais e das coordenadas GPS é útil para criar um mapa através de uma ferramenta como o Google Earth. Com base nos dados referidos, é possível localizar pontos geográficos onde se registaram determinadas concentrações poluentes, analisar a qualidade do ar e estimar o percurso percorrido pelo nó móvel.
O sistema de monitorização remoto implicou desenvolver dois nós: um nó remoto de monitorização e um gateway LoRa. O nó remoto é uma estação fixa e possui um sensor Figaro, tal como, o nó local. Este também possui um painel solar e realiza monitorização periódica. No entanto, o controlo embebido desenvolveu-se com ênfase a conseguir o duty cycle a 1%. Os dados monitorizados foram o nível da bateria e o sinal elétrico do sensor Figaro. A comunicação rádio foi realizada pelo RFM9x LoRa. Uma das vertentes do controlo embebido deste nó foram as configurações rádio, nomeadamente, o modo de transmissão de longo alcance e o endereçamento cliente-servidor. A
gateway LoRa foi desenvolvida especificamente para aguardar pela receção do
pacote proveniente do terminal remoto, tal se conseguiu, com o endereçamento cliente-servidor. Uma vez recebido o pacote, seria realizado o ciclo de tratamento de dados e posterior inserção na rede de sensores da Universidade. Esta
gateway servia-se das tecnologias rádio LoRa e Zigbee.
Foi realizado algum estudo quanto à utilização da tecnologia rádio LoRa, nomeadamente da eficiência de transmissão de pacotes e alcance de transmissão. O estudo da eficiência de transmissão de pacotes realizou-se com as configurações de médio e longo alcance respetivamente. Daqui, verificou-se a necessidade de um maior intervalo de tempo para o retorno do pacote ACK no modo de longo alcance. No estudo do alcance de transmissão, utilizou-se o modo de longo alcance. O nó emissor realizaria as transmissões a partir do terraço da Universidade e o recetor seria transportado para os locais enumerados no mapa do Google Earth na seção 4.4.2. Dos casos mais otimistas a nível de RSSI, destacaram-se o miradouro do Pico Alto e a Avenida das Madalenas. O primeiro caso considerava uma situação de linha de vista. O segundo caso, o recetor encontrava-se mais próximo do emissor, sendo este um cenário urbano. Os piores casos verificaram-se no Pináculo, Poço da Neve no Arieiro e a Pontinha no Funchal. A comunicação mais distante foi entre a Universidade e o Poço da Neve, numa distância de cerca de 7,24 km.
Devido aos motivos mencionados na seção 4.4.3, o nó remoto foi instalado temporariamente no ponto onde o nó local foi instalado anteriormente. A gateway foi instalada no terraço da Universidade. Os dois nós estavam distanciados a cerca de 40 metros entre si em condições de comunicação sem linha de vista.
A monitorização ambiental foi semelhante à realizada com o nó local. Deste modo, realizou-se monitorização do nível da bateria, variabilidade diária e estudo da afluência do tráfego urbano. Tal como o nó local para este estudo consideraram-se horas da manhã e da tarde. Os valores de pico registados encontravam-se na ordem de 3,5 ppm, tal aproxima-se dos 4 mg/m³. É necessário referir que devido a regulamentações de duty cycle impostas na utilização da tecnologia LoRa, este sistema operava com um período de amostragem consideravelmente mais elevado que o nó local. Como tal, o volume de dados era menor e a monitorização ambiental pelo terminal remoto era mais limitada, no entanto, os seus consumos de energia eram menores.
5.2. Trabalhos futuros
A tecnologia LoRa abre a possibilidade para uma monitorização remota mais alargada que considere uma maior variedade de parâmetros ambientais. Possíveis sugestões de projetos futuros a realizar seriam utilizar um maior número de RFM9x LoRa, maior variedade de sensores de gás (CO, CO2, O3, SO2, NO2) e de partículas poluentes (PM10, PM2.5), poluição sonora, temperatura e humidade. Isto implicaria um conjunto de estações remotas onde cada qual iria monitorizar o respetivo parâmetro ambiental de interesse.
Uma possível solução como gateway poderia incluir um Raspberry Pi e recetor LoRa. Um método de comunicação entre as estações remotas e a
gateway LoRa poderia ser a utilização de vários canais de comunicação. Cada
estação remota poderia se servir de um canal dedicado à comunicação com a
gateway em uplink. Tal implicaria mecanismos de endereçamento para proteger
o payload dos pacotes, de modo que apenas a gateway e a estação remota de interesse pudessem detetar as mensagens, no entanto, recomenda-se um estudo mais cuidado. Adicionalmente, poderia ser utilizada a comunicação
downlink para confirmar a entrega dos dados através do pacote ACK.
Outra eventual sugestão de comunicação entre a gateway e as estações remotas poderia ser a utilização de mecanismos TDMA (Time Division Multiple
Access) . A monitorização periódica de cada estação remota seria controlada por
um mecanismo que iria detetar beacons RF transmitidos a partir da gateway, o que iria acordar o microcontrolador e o módulo de comunicação para o ciclo ativo. Este mecanismo seria uma possibilidade para o sincronismo temporal necessário no TDMA. A gateway iria permanecer no estado ativo.
Do lado do servidor de base de dados, poderia se tirar partido da plataforma Web existente que recorre à utilização do protocolo Zigbee, ou, alternativamente, desenvolver uma nova plataforma Web capaz de receber diretamente dados no protocolo LoRaWAN ou outra tecnologia de comunicações sem fios. Adicionalmente, esta plataforma Web poderia permitir o acesso por aplicações android para monitorização ambiental.